(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器と、前記レーザ発振器から出力されたパルス光の群速度分散を制御する群速度分散制御部と、前記群速度分散制御部から出力されたパルス光を伝送する伝送部とを有し、
前記レーザ発振器と、前記群速度分散制御部と、前記伝送部の少なくとも一部とを支持体に実装して同一筐体に収められており、
前記伝送部は、少なくともコリメータと光ファイバを構成要素として有しており、前記群速度分散制御部によって群速度分散が制御されたパルス光を伝送するためのものであり、
前記コリメータが、前記群速度分散制御部の光軸と調芯された状態で前記支持体上に固定されており、前記光ファイバの少なくとも一部が前記筐体の外部に導出されているレーザ装置において、
前記群速度分散制御部は、回折格子と第１反射体および第２反射体を具えており、前記回折格子は、前記レーザ発振器により供給されたパルス光の各波長成分を、波長に応じた方向へそれぞれ回折させるものであり、前記第１反射体は、前記回折格子を経て第１反射体に入射したパルス光を、該パルス光の入射方向に平行な方向へ反射させて前記回折格子へ戻すものであり、前記第２反射体は、前記第１反射体および回折格子を経て第２反射体に入射したパルス光を、該パルス光の入射方向に平行な方向へ反射させて前記回折格子へ戻すものであり、前記第１および第２反射体の各々が、互いに垂直な２つの反射面を有するプリズムであって、前記第１反射体としてのプリズムの２つの反射面の双方に垂直な面と、前記第２反射体としてのプリズムの２つの反射面の双方に垂直な面とが互いに垂直になるように前記第１反射体と前記第２反射体とを配置してあり、前記第１反射体と前記回折格子との間の距離が可変にできるように、前記第１反射体が、第１反射体へ前記回折格子からのパルス光が入射し、そのパルス光を全て、入射したパルス光と平行を保つ方向に向かい反射できるような移動を可能にする移動機構を具えていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ装置において、前記レーザ発振器から出力されるパルス光が直線偏波光であり、前記伝送部が少なくとも２つの４分の１波長板と少なくとも１つのコリメータと少なくとも１本の光ファイバを有しており、前記伝送部に入射した直線偏波のパルス光が前記２つの４分の１波長板のうちの１つ（以下、第１の４分の１波長板ともいう）に入射して円偏波に変換されて前記コリメータを通って前記光ファイバの入力側端部に入射して光ファイバ内を伝送され、前記光ファイバの出力側端部から前記第１の４分の１波長板とは別の４分の１波長板（以下、第２の４分の１波長板ともいう）に入射することを特徴とするレーザ装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のレーザ装置において、前記第１反射体と前記回折格子との間の距離が可変にできるように、前記第１反射体が、前記回折格子から前記第１反射体への出射光の光軸に沿う直線方向への移動を可能にする移動機構を具えていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のレーザ装置において、前記回折格子はその入射パルス光に対する角度を、前記レーザ発振器から出力されるパルス光の波長を指標として変化させることができる構造になっていることを特徴とするレーザ装置。
【請求項５】
請求項１又は２に記載のレーザ装置において、前記群速度分散制御部が電気的手段により入射パルス光に対して回折格子と同じ作用を施す素子を用いたものであることを特徴とするレーザ装置。
【請求項６】
請求項５に記載のレーザ装置において、前記電気的手段により入射パルス光に対して回折格子と同じ作用を施す素子が音響光学素子であることを特徴とするレーザ装置。
【請求項７】
請求項５に記載のレーザ装置において、前記群速度分散制御部が、音響光学素子と少なくとも２枚の反射板とを有し、前記音響光学素子に入射した入射光は、前記音響光学素子を透過した後、前記２枚の反射板のうちの一方の反射板である第１の反射板に進んでそこで反射され、前記音響光学素子を透過して前記２枚の反射板のうちの他方の反射板である第２の反射板に進んでそこで反射され、前記入射光の光路と平行な光路を逆方向に進行して前記音響光学素子から前記第１の反射板、前記音響光学素子へと進行して、前記音響光学素子に入射したときの光路と平行な光路を入射したときとは逆方向に出射するように前記音響光学素子と少なくとも２枚の反射板とが配置されており、前記音響光学素子は、入射光を透過させることができるとともに該透過する入射光に対して音響光学効果を及ぼして入射光を分光することができることを特徴とするレーザ装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載のレーザ装置において、前記光ファイバの出力側端部近傍の長さ１ｍｍ以上の部分のコア直径が漸増した構造になっていることを特徴とするレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、超短パルス光を、顕微鏡の光源、２光子吸収リソグラフィーの光源として光ファイバを介して出力することができる新規な可搬型レーザ装置に関する。さらに具体的には、前記パルス光のパルス幅が、たとえば、１００フェムト秒のように狭い超短パルス光のレーザ光を、光ファイバを介して、パルス幅の拡がりなく出力することができる、単一の筐体に実装されたレーザ装置に関する。
背景技術
一般に、高出力固体レーザの出力は、そのまま、空間にビームとして出力されることが多い。たとえば、パルス幅が１００フエムト秒というように極めて狭い光パルス、いわゆるフェムト秒光パルス、を出力するモード同期チタンサファイアレーザのビームも、従来はそのまま、空間に出力されていた。
しかし、最近の、顕微鏡光源への応用や、プローブ顕微鏡への応用などに当たっては、フェムト秒光パルスを光ファイバ（以下、単にファイバともいう）で伝送させる必要がある。一方、フェムト秒領域の短い時間幅の光パルスは、同一の位相を保って伝搬する多数の波長によって構成されている。すなわち、ある波長幅をもち、長波長から短波長に分布し、同一位相で進行する波長群の光によって、フェムト秒領域の時間幅をもつ光パルスは、成り立っている。たとえば、中心波長８００ｎｍで、時間幅が光強度の半値全幅で１００フェムト秒以下の光パルスの波長幅は、波長あたりの光強度の半値全幅では１０ｎｍ以上に及ぶ。しかし、たとえば、石英で構成された光ファイバの内部は正の群速度分散を持つため、光パルスの長波長成分の方が短波長成分に比べて速く進む。そのため、たとえファイバの長さを数メートルに短くしたとしても、フェムト秒パルスはたちまちピコ秒パルスにまで拡がってしまう。
この課題を解決するには、光パルスをファイバに入射する前に、ファイバ内部の正の群速度分散と絶対値が同じ負の群速度分散を持つ群速度分散制御装置に光パルスを通して、パルス幅を広げておけば良い。すなわち、群速度分散制御装置により、長波長成分を短波長成分に対して遅らせた状態をつくってから、パルス光を光ファイバ中に導入する。このようにすれば、ファイバの終端付近で、パルス幅をフェムト秒に戻すことができる。
このように、超短パルス光を出力する従来のレーザ装置は、レーザ発振器、群速度分散制御装置および光ファイバを組み合わせて構成されている。しかしながら、上述のレーザ発振器および群速度分散制御装置は、その調整作業の難しさや使用環境下での安定性確保の難しさなどの理由から、可搬型の単一の筐体に実装されたものは困難とされ、レーザ装置と群速度分散制御装置などのように、それぞれ別々のケースに入れられて提供される個別のユニットとなっていた。このような、光ファイバを含めた各ユニットは、防振テーブル上の光学ベンチ上に配置され、これらユニット間の光軸調整を精密に行うことで、所要の光学系が実現している。
このため、従来のレーザ装置では、これを使用するまでに多大な時間を光軸調整に費やさねばならない。特に、群速度分散制御装置と光ファイバとの結合部では、空間で伝送されたビームを、約５μｍや約１０μｍの径のように細い径のコアに結合させる必要がある。この光軸調整の難易度は非常に高い。すなわち、この光軸調整の要求精度は、±１０μｒａｄ以下である。この角度範囲は、別の表現をすれば、１ｋｍ先の±１ｃｍに相当する広がりである。これは、温度変化に起因して容易に動いてしまう値である。装置中、このような角度精度を要求する部分が１か所でもあれば、装置全体にわたる要求精度はこの値に帰結する。このため、装置の安定性を維持するには、大がかりな防震テーブルを用いる必要があり、さらには、防振テーブルを含む部屋全体の温度管理が不可欠な要件とされ、装置全体もきわめて大きなものとなり、装置全体のコストも極めて高価になっている。
従って、従来より、生成した超短パルス光を、パルス拡がりの問題無く、光ファイバによって伝送することが可能であると共に、光軸調整の負担が軽減された、小型で、安定した、使い易いレーザ装置の出現が望まれていた。
本発明は、上記のような従来の課題を解決し、可搬型の、小型で、安価な、しかも、パルス幅が、たとえば１００フェムト秒の如く極めて狭いパルス光のレーザ光をパルス幅の拡がりなく光ファイバから出力することができる、単一の筐体に実装された新規のレーザ装置を提供するものである。
発明の開示
この出願に係る発明のレーザ装置は、レーザ発振器と群速度分散制御部と伝送部とで構成されるレーザ装置であって、以下のような独特な構成を有している。すなわち、レーザ発振器と前記レーザ発振器から出力された光の群速度分散を制御する群速度分散制御部と前記群速度分散制御部から出力された光を伝送する伝送部の一部とを同一筐体に収めた小型で可搬型の新規なレーザ装置として構成している。
そして、このレーザ装置の効果をさらに大きくするため、種々の好ましい形態を付加することが出来る。以下好ましい例を具体的に説明する。
この発明の好ましい例では、レーザ発振器は、パルス光を生成するものである。また、この発明では、群速度分散制御部は、レーザ発振器から出力されたパルス光の群速度分散を制御するものである。また、伝送部は、少なくともコリメータとシングルモードファイバ（以下、ＳＭＦともいう）や偏波保持ファイバ（以下、ＰＭＦともいう）などの光ファイバとにより構成されていて、群速度分散制御部によって群速度分散が制御されたパルス光を伝送するためのものである。
さらに、好ましい例を具体的に説明すると、レーザ発振器と群速度分散制御部と伝送部の一端とが、筐体の内部に設けられた支持体上に固定されている。そして、伝送部の非固定部分が筐体の外部に導出されている。
この発明の好ましい例では、レーザ発振器と群速度分散制御部と伝送部の一端とが共通の一つの支持体上に固定されている。各光学ユニット間の光軸調整は既に完了した状態になされている。そして、これら各光学ユニットは支持体と共に、一つの筐体の内部に収められている。よって、各光学ユニットがワンパッケージ化（一体化）された状態で提供される。このような一体化構造によれば、各光学ユニットの温度環境が共通化される。しかも、各光学ユニットを光学ベンチ上に配置して、光軸調整を行う手間がいらない。ユーザは、改めて光軸調整を行う必要がなく、直ちにパルス拡がりの無い短パルス光を使用することができる。
この発明のレーザ装置において、好ましくは、伝送部がコリメータを具えていて、このコリメータに光ファイバが接続されており、このコリメータが、群速度分散制御部の光軸と調芯された状態で支持体上に固定されていると良い。
この発明のレーザ装置はこのように構成されるので、群速度分散制御部から出力されたパルス光は、コリメータを経て、光ファイバ中に導入され、筐体から外部に導出されている伝送部の一部としての光ファイバの端末部から出力される。
また、この発明のレーザ装置において、レーザ発振器、群速度分散制御部、伝送部の各々において、各構成部品の位置関係が熱の影響によって変化しないことが好ましく、さらに、レーザ発振器、群速度分散制御部、伝送部の各々の間の相対的位置関係も熱の影響によって変化しないように構成することが好ましい。その一つの方法として、支持体としての材料が熱膨張係数の小さい材料、例えばゼロデュア（ショット社の商品名）のような熱膨張係数が−０．０９×１０６／℃程度以下のものを用いることができる。ただし、ゼロデュアは一種のガラスなので加工がし難くまた価格も高い。従って、他の方法として、カーボン複合体、あるいは、アルミニウムやアルミニウム合金（以下、アルミニウムで代表して説明する）のような熱伝導性がよく、加工がしやすく、錆びにくく、軽くて安価な材料を用いるのが好ましい。
一方、ステンレスはアルミニウムに比較して熱膨張係数が小さく錆びにくいが、熱伝導性はアルミニウムほどよくない。このステンレスの特性は、熱分布の不均一を生じ易いため、全体にわたって機械的歪みを発生しやすい。
アルミニウムは軽量であると共に、熱伝導率が高いので、熱が全体にわたって拡がりやすく、部分的に熱膨張が生じない。よって、支持体の変形を抑制する。
また、この発明のレーザ装置において、好ましくは、支持体の内部に冷却水を流すための水路が設けられていると良い。支持体自体の放熱作用が促進されて、支持体内部における熱の蓄積が抑制される。
また、この発明のレーザ装置においては、支持体が筐体の内部に設けられていて、伝送部の非固定部分がこの筐体の外部に導出されていると良い。
また、伝送部は、筐体の一部に着脱自在に設けた接続部を有しており、前記接続部に伝送部の一部としての光ファイバを接続するようにしても良い。
また、筐体により覆われているので、レーザ発振器や群速度分散制御部などの光学ユニットが外部から保護される。
このとき、支持体が、緩衝体を介して筐体に結合しているのが好ましい。このように構成することによって、適切な防振構造が得られ、光軸のずれが生じにくくなる。
また、この発明の実施にあたっては、緩衝体の主要部分を、たとえば、シリコーンゴム系の材質を用いた物質、例えばゲル状物質でつくられた振動吸収体とするのが好適である。
また、この発明の好ましい例としては、前記緩衝体が、少なくとも、筐体外部からの振動や衝撃が支持体に伝わるのを大幅に軽減することができる緩衝部と筐体と支持体の少なくとも一方に緩衝体を固定することができる固定部で構成されており、前記緩衝部がシリコーンゴムでつくられている。たとえば、この緩衝体を支持体や筐体に固定することができるネジ部を有する前記固定部が前記緩衝部と一体に成型されており、支持体と筐体の間にこのシリコーンゴムでできた緩衝部を介在させるとともに、緩衝体に一体的に取り付けられている例えばネジ部を有する２つの固定部のネジ部を、支持体と筐体に設けた穴部にそれぞれ差し込んで、ナットで締め付けてしっかりと固定すると、小型で耐衝撃性の優れた、持ち運びに便利なレーザ装置をつくることができる。
このとき、前記支持体と筐体に設けられた穴部を前記ネジ部の径より大きな内径に形成しておくと固定に便利である。
さらに、この発明のレーザ装置において、好ましくは、レーザ発振器をモード同期固体レーザ、たとえば、モード同期チタンサファイアレーザとすると良い。
また、この発明のレーザ装置において、好ましくは、レーザ発振器に励起光を供給するための励起光源をさらに具えると良い。例えば、励起光源をダイオード励起の固体レーザとするのが好適である。
また、この発明のレーザ装置において、好ましくは、レーザ発振器、群速度分散制御部および伝送部を構成する光学系を固定支持する支持部（ただし、ネジ部を除いて）の少なくとも主要部分の材料として、支持体と同じ材料が用いられていると良い。このような構成によれば、熱サイクルを受けても、各部品間の熱膨張の差が累積することがない。従って、光路がずれない。
また、この発明のレーザ装置において、好ましくは、レーザ発振器と群速度分散制御部とが、支持体の表と裏にそれぞれ装着されていると良い。レーザ発振器および群速度分散制御部を、このように支持体上に配置すれば、支持体の小型化および軽量化が可能になる。また、小型化により、装置全体の温度の不均一分布が少なくなる。たとえ、多少の温度不均一分布が残ったとしても、支持体の表と裏とで受ける熱による影響の差が小さくなり、それによる光路のずれは生じにくくなる。さらに、小型化により、熱膨張による伸び縮みの絶対値が小さくなる。
また、この発明のレーザ装置において、好ましくは、支持体の一方の側に装着されたレーザ発振器から出力されたパルス光を、支持体に設けられた貫通孔を通して、支持体の他方の側に装着された群速度分散制御部に供給する構成にすると良い。
支持体の内部は、比較的温度が一定であり、空気擾乱の影響も少ないので、光ビームが安定する。
また、この発明のレーザ装置の好適例によれば、群速度分散制御部は、回折格子、第１反射体および第２反射体を具えているのが好ましい。上述の回折格子は、レーザ発振器により供給されたパルス光の各波長成分を、波長に応じた方向へそれぞれ回折させるものである。また、第１反射体は、回折格子を経て入射したパルス光を、このパルス光の入射方向に平行な方向へ反射させて回折格子へ戻すものである。さらに、第２反射体は、第１反射体および回折格子を経て入射したパルス光を、このパルス光の入射方向に平行な方向へ反射させて回折格子へ戻すものである。
レーザ発振器から供給されるパルス光は、回折格子に入射する。パルス光の各波長成分は、波長に応じた方向にそれぞれ回折される。パルス光の各波長成分は、所定位置に配置された第１反射体に入射し、それぞれ入射方向に平行な方向に反射されるため、回折格子に戻される。
続いて、パルス光は、回折格子により第２反射体に向けて回折される。第２反射体では、パルス光の各波長成分がそれぞれ入射方向に平行な方向に反射される。従って、パルス光は回折格子に戻される。その後、パルス光は、往路と平行な光路を辿って、回折格子、第１反射体および回折格子の順に伝搬される。
よって、パルス光の各波長成分の間には、回折格子と第１反射体との間の距離に応じた光路差が生じる。この装置内では、長波長成分が短波長成分に比べて長い距離の光路を伝搬する。そのため、パルス光がこの群速度分散制御部を通過すると負の群速度分散を受けて、相対的に、パルスの後端近くが長波長側シフトした成分となり、パルスの前端近くが短波長側シフトした成分となる。このパルス光が伝送部の光ファイバに導入されるので、パルス光は伝送部における正の群速度分散を受けて、伝送部の光ファイバから出力される時には所望の極めて狭いパルス幅のパルス光を出力することができる。
この発明のレーザ装置の好適例によれば、第１反射体と回折格子との間の距離が可変にできるように、第１反射体を移動させる駆動機構が設けられている。
そして、好ましい例においては、第１反射体を光軸に沿う直線方向へ移動させることができる移動機構を具えている。
このような移動機構を具えるので、群速度分散制御部内部の群速度分散を、伝送部を構成する光ファイバの長さに合わせて調節することができる。従って、光ファイバを交換したときも、アライメントをやり直す必要がないようにすることができる。
また、この発明のレーザ装置の好適例によれば、第１および第２反射体の各々が、互いに垂直な二つの反射面を有したプリズムであって、第１反射体としてのプリズムの二つの反射面の双方に垂直な面と、第２反射体としてのプリズムの二つの反射面の双方に垂直な面とが互いに垂直になるように第１および第２反射体を配置するとよい。
このように構成してあるので、パルス光の入射光路および出射光路は互いに分離される。従って、ビームスプリッタなどの分波器を用いる必要がない。
また、この発明のレーザ装置の好適例によれば、第１反射体の移動機構の制御に対して、伝送部から出力されたパルス光のパルス幅を指標とした負帰還を行う。
このようにして、この発明のレーザ装置においては、伝送部から出力されるパルス光のパルス幅がもっとも狭くなるように第１反射体の位置を調整することができる。
また、この発明のレーザ装置の好適例によれば、回折格子の入射パルス光に対する角度を、レーザ発振器から出力されるパルス光の波長を指標として変化させることができるように構成すると良い。このようにして、パルス光の波長を変化させたときに第１反射体と第２反射体のビーム経路の最適な位置をビームが通過するように回折格子の入射パルス光に対する角度を自動的に調整することができる。したがって、パルス光の波長を変化させても、群速度分散制御部を通過したパルス光が波長によらず一定の強度で伝送部に供給され、伝送部の出力が変動することがないレーザ装置を提供することができる。
このように、パルス光の波長に合わせて回折格子を回転させるので、パルス光の波長が変化しても、群速度分散制御部のアライメントをやり直す必要がない。
また、この発明のレーザ装置において、好ましくは、レーザ発振器、群速度分散制御部および伝送部を構成する部品の支持体に接続される側に位置決め用の凸部または凹部が設けられており、これらの凸部または凹部と組み合わせることができる凹部または凸部を、支持体の所定の位置に形成してあると良い。
この構成によれば、光学素子およびホルダからなる部品を配置できる位置が、支持体側の凹部または凸部を設けた所定の位置に制限される。これら支持体側の凹部または凸部と、部品側の凸部または凹部とは、現在の機械加工技術を駆使することで、それぞれ高い寸法精度と位置精度で形成することができる。従って、部品側の凸部または凹部が支持体側の凹部または凸部に組み合わさるように、部品を支持体に置くのみで、部品を支持体の所定位置に高い精度で配置することができる。もしも、部品の光学素子が光軸から多少ずれていた場合には、部品を構成するホルダが一般に有する光学素子微動機構でこの軸ずれを修正することができる。従って、この構成によれば、光学素子の軸調整作業を従来より大幅に軽減することができるので、所望の光学系を従来より簡易に形成することができる。そして、この構成を用いて、たとえばレーザ発振器のレーザビームの位置を支持体の表面から１８ｍｍ以下の一定の高さに押さえることができる。また、支持体に溝を設け、この溝内に前記凹部や凸部を設けて光学素子やホルダを配置するとともに、レーザビームも支持体の溝内を通るようにすることができる。このような構成にすることにより、支持体を筐体内に立てて配置した場合も含めてレーザ装置の安定性を大幅に高めることができる。
また、この発明のレーザ装置において、好ましくは、伝送部の非固定部分の端部に、正の群速度分散を有する半導体結晶を利用した圧縮ユニットをさらに結合してあると良い。
伝送部を構成するファイバの内部に、フェムト秒程度のパルス光が伝送されると、そのピーク強度の強さのために、自己位相変調効果が生じる。この効果のために、スペクトルの狭帯域化が生じて、パルスが拡がってしまう。この自己位相変調効果の大きさは、パルス光のピーク強度に依存するため、１ミリワット程度の十分微弱なフェムト秒パルスであれば、ファイバで伝送可能である。しかし、このような微弱強度では、フェムト秒パルスの応用という側面からは不適当である。少なくとも、５０ミリワット程度は伝送する必要がある。
そこで、この発明では、群速度分散制御部と共に圧縮ユニットを用いていることができる。すでに述べたように、群速度分散制御部は、光パルスに負の群速度分散を与えることにより、例えば１００フェムト秒程度の光パルスを６ピコ秒程度まで広げるものである。この程度のパルス幅であれば、数１００ミリワットの光パルスを、自己位相変調効果を無視して伝送することができる。ただし、ファイバ出力端でもパルス幅は３ピコ秒程度であり、フェムト秒には戻っていない。そこで、上述の圧縮ユニットにより、このファイバ端において、一気にパルス幅をピコ秒からフェムト秒に圧縮する。
この圧縮ユニットは、半導体結晶をもって構成されており、この結晶のバンドギャップ端における急峻な正の分散カーブを利用するものである。平均強度の大きいフェムト秒パルス光を、ファイバだけで伝送することはできない。しかし、上述したように、群速度分散制御部によってピコ秒までパルス幅を広げて、伝送部により平均強度を維持しながら伝送し、最後に圧縮ユニットを用いてパルス幅を圧縮することで、フェムト秒パルス光のファイバ伝送が可能となる。
また、この発明のレーザ装置の、好ましい例では、筐体の寸法を、長さ６５６ｍｍ以下、高さ５０８ｍｍ以下、幅２３４ｍｍ以下で、重量が５０ｋｇ以下にして実装することができる。
また、この発明のレーザ装置において、好ましくは、前記群速度分散制御部が音響光学素子と少なくとも２枚の反射板とを有し、前記音響光学素子に入射した入射光は、前記音響光学素子を透過した後、前記２枚の反射板のうちの一方の反射板である第１の反射板に進んでそこで反射され、前記音響光学素子を透過して前記２枚の反射板のうちの他方の反射板である第２の反射板に進んでそこで反射され、前記の入射光の光路を逆方向に進行して前記音響光学素子から前記第１の反射板、前記音響光学素子へと進行して、前記音響光学素子に入射したときと同じ光路を入射したときとは逆方向に出射するように前記音響光学素子と少なくとも２枚の反射板とが配置されており、前記音響光学素子は、入射光を透過させることができるとともに該透過する入射光に対して音響光学効果を及ぼして入射光を分光するように構成することができる。
そして、第２の反射板として直角プリズムを用いて、前記群速度分散制御部に入射した光と前記前記群速度分散制御部から出射する光が空間的に異なる位置を通るようにすると良い。このようにすることにより、前記群速度分散制御部に入射する光と出射する光の分離を確実にできる。
また、第２の反射板と音響光学素子の間に４分の１波長板をおき、入射光と反射光の偏光方向を９０度回転させるようにしても良い。このようにすることにより、前記群速度分散制御部に入射する光と出射する光の分離を確実にできる。
また、この発明のレーザ装置の好ましい例においては、前記レーザ発振器から出力されるレーザ光が直線偏波光であり、前記伝送部が少なくとも２つの４分の１波長板と少なくとも１つのコリメータと少なくとも１本の光ファイバを有しており、前記伝送部に入射した直線偏波のレーザ光が前記２つの４分の１波長板のうちの１つ（以下、第１の４分の１波長板ともいう）に入射して円偏波に変換されて前記コリメータを通って前記光ファイバの入力側端部に入射して光ファイバ内を伝送され、前記光ファイバの出力側端部から前記第１の４分の１波長板とは別の４分の１波長板（以下、第２の４分の１波長板ともいう）に入射するように構成すると良い。そして、さらに好ましくは、前記光ファイバの出力側端部近傍の部分を長さ１ｍｍ以上にわたってコア直径が漸増した構造にすると良い。
また、この発明のレーザ装置において、好ましくは、モード同期発振状態を検出する光検出装置を有し、モード同期発振が停止した場合には、前記光検出装置の検出信号に対応してレーザ発振器を構成するミラーの少なくとも一つを移動させる駆動機構を駆動させ、モード同期発振を開始させる機能を有するようにすると良い。
発明を実施するための最良の形態
以下、図を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。なお、図は、この発明が理解できる程度に形状、大きさおよび配置関係を概略的に示しているに過ぎない。また、以下に記載される数値等の条件や材料などは単なる一例に過ぎない。以下で説明する実施の形態は、適宜好適な例を用いてこの発明の技術思想を説明するものであり、よって、この発明は、この実施の形態にのみ限定されるものではない。
この発明の実施の形態のレーザ装置につき、第１図を参照して説明する。
第１図は、この発明の実施の形態のレーザ装置の構成を示す図である。第１図（Ａ）は、レーザ装置を上方から見たところを示しており、第１図（Ｂ）は、レーザ装置を側方（第１図（Ａ）の左側）から見たところを示している。
このレーザ装置は、主として、レーザ発振器１０と群速度分散制御部１２と伝送部１４とで構成されている。レーザ発振器１０は、パルス光を生成する光学ユニットで構成されている。群速度分散制御部１２は、レーザ発振器１０から出力されたパルス光の群速度分散を制御する光学ユニットである。伝送部１４は、少なくともコリメータ８０と光ファイバとしてのＳＭＦ１４ａにより構成されていて、群速度分散制御部１２によって群速度分散が制御されたパルス光を伝送するたの光学ユニットである。
また、この実施の形態のレーザ装置では、レーザ発振器１０と、群速度分散制御部１２と、伝送部１４の一端とが、支持体としての１枚の支持板１６上に固定されている。この支持板１６は、厚さが５ｃｍ程度のアルミニウム（アルミ５０５２）板である。この支持板１６の表側および裏側のそれぞれに、レーザ発振器１０および群速度分散制御部１２が設けられている。すなわち、レーザ発振器１０および群速度分散制御部１２は、支持板１６を挟んで対向した状態に設置されている。
また、伝送部１４は、ＳＭＦ１４ａと、その端部に接続されたコリメータ８０とをもって構成されている。ＳＭＦ１４ａとコリメータ８０とは、十分に高い精度で相対位置が合わせられた状態で、互いに接続されている。伝送部１４の一端、すなわちコリメータ８０は、群速度分散制御部１２の光軸と調芯された状態、例えば、±１０μｒａｄ以下の光軸の角度精度、±１０μｍ以下の光軸の位置精度に調芯された状態で、支持板１６の群速度分散制御１２側の面上に固定されている。従って、群速度分散制御部１２から出力されたパルス光は、コリメータ８０を経て、ＳＭＦ１４ａ中に導入される。
このような構成によれば、支持板１６の片面に各光学ユニットを設ける場合に比べて、支持板１６を小型にすることができる。従って、装置全体も小型化され、重量も軽減する。しかも、支持板１６の片面だけが光学ユニットの重量の影響を受けたり、光学ユニットから放出される熱により影響を受けることもなくなり、部分的な重力の影響や熱膨張による光学ユニットの光軸ずれのリスクが低減される。
このように構成したことにより、この例の１つの筐体に実装されたレーザ装置は、長さ６５０ｍｍ、高さ５００ｍｍ、厚さ２００ｍｍであり、重量が５０Ｋｇ以下になっている。
このように、この実施の形態のレーザ装置は、１つの支持板１６上に組み込まれて１つの筐体に実装された状態で提供される。また、各光学ユニットの光軸はすでに調整された状態で提供される。従って、ユーザは、煩雑な調芯作業を行う必要がなく、所望のパルス光をすぐに使用することができる。
さらに詳細にレーザ装置の構成につき説明する。この実施の形態のレーザ装置本体は、適当な筐体の内部に収められているために、運搬しやすくなっている。第２図は、筐体の構成を示す図である。第２図（Ａ）は側面図であり、第２図（Ｂ）は正面図である。第２図（Ａ）には、支持板１６の群速度分散制御部１２側が示されている。
上述したように、この実施の形態のレーザ装置の重量は約５０Ｋｇである。このような重量になると、運搬の安全性や、重さによる筐体の歪みなどを考慮する必要がある。そのため、第２図（Ａ）に示すように、筐体１８としては、２枚の板２０および２２を平行に対向させ、これらの間を４本の肉厚のアルミニウムのパイプ２４によって接続したものを用いている。パイプ２４の外径は３０ｍｍ程度である。このような構造を採用することにより、歪みに対する強度が確保されている。また、パイプ２４には、手で握ることを考慮して、適当な滑り止め加工、例えば図示例のような溝加工が表面に施されている。これらパイプ２４の間に、光学ユニットが設けられた支持板１６が収められる。第２図（Ｂ）に示すように、支持板１６は、第２図（Ｂ）中の上下方向にわたり主面（光学ユニットが設けられた面）が延在するようにして設けられる。
そして、光学ユニットを含む支持板１６は、外装板２６により覆われている。この実施の形態のレーザ装置は、アライメントフリーになっている。
また、一方の板２０にはＳＭＦ１４ａを通すための孔が開けられている。ＳＭＦ１４ａの非固定部分は、この孔を通って、筐体１８の外部に導出されている。あるいは、板２０にＳＭＦ１４ａの接続が可能なコネクタを設けておき、群速度分散制御部１２から出力された光を、コリメータ８０を経て、このコネクタに伝送させる構成にしておけば、この部分でＳＭＦ１４ａの脱着作業を行うことができる。また、このコネクタがコリメータ８０とともに組み込まれてコネクタとして板２０に設けられていて、必要に応じて光ファイバ、たとえばＳＭＦ１４ａを接続するようにすることができる。
この例で用いられるＳＭＦ１４ａは、コア径が５．３μｍであり、開口数ＮＡが０．１２である。
さらに、この実施の形態のレーザ装置は、レーザ発振器１０に励起光を供給するための励起光源２８を具えている。この励起光源２８は、支持板１６の上側（第２図（Ａ）中の上部）に固定された状態で設置されている。
また、第３図に、支持板１６を含む第２図（Ｂ）のＩ−Ｉ線の位置で切った切り口の断面を示す。第３図は、支持体と筐体との結合の様子を示す断面図である。
支持板１６の下側（第３図中の下側）には、架橋板３０が設けられており、この架橋板３０の両端はそれぞれ板２０および２２に接続されている。この架橋板３０の上に適当な個数の、例えばゲル状物質でつくられた振動吸収体３２が緩衝体として設けられている。支持板１６は、これら振動吸収体３２を介して筐体に結合している。また、支持板１６の側面と対向する板２０および２２の双方にも、振動吸収体３２が適当個数設けられている。従って、支持板１６の側方も、振動吸収体３２を介して筐体に結合している。さらに、支持板１６の主面と対向する外装板２６の裏側にも、振動吸収体が適当個数設けられている。このように、支持板１６は、筐体１８中に振動吸収体３２を介して設けられることによって、所定の防振構造が実現されている。従って、防振テーブルに設置する必要はない。
尚、一例として、直径３０ｍｍ、高さ２２ｍｍ、共振点１０Ｈｚ付近の振動吸収体を支持板１６の下に８個、前後左右に各１個、合計１２個を配置するのが好ましい。
上記の如き振動吸収体３２を緩衝体の例として説明したが、耐振特性を高めるために緩衝体としての振動吸収体を筐体外部からの振動や衝撃が支持体に伝わるのを大幅に軽減することができる緩衝部と筐体と支持体の少なくとも一方に緩衝体を固定することができる固定部を有するように構成して、前記緩衝部をシリコーンゴム系の緩衝材でつくることが好ましい。たとえば、前記固定部を、この緩衝体を支持体や筐体に固定することができるネジ部を有する構造にし、前記固定部２つを前記緩衝部と一体に成型して、支持体と筐体の間にこのシリコーンゴムでできた緩衝部を介在させるとともに、前記２つの固定部のネジ部を、支持体と筐体に設けた穴部にそれぞれ差し込んで、ナットで締め付けてしっかりと固定すると、小型で耐衝撃性の優れた、持ち運びに便利なレーザ装置をつくることができる。
このとき、前記支持体と筐体に設けられた穴部を前記ネジ部の径より大きな内径に形成しておくと固定に都合がよい。
次に、支持板１６の構成をさらに詳細に説明する。第４図は、支持板１６の構成を示す平面図である。第４図には、群速度分散制御部１２が設けられている側が示されている。支持板１６の上側には励起光源２８が設置されている。
上述したように、支持板１６はアルミニウムにより形成されている（アルミニウム合金でも良い。）。各光学素子は、アルミニウム板の表面が掘削された部分１６ａ、１６ｂおよび１６ｃにそれぞれ設置されている。これら１６ａ、１６ｂ及び１６ｃは、凹部であり、それぞれの形状は強度を保ちながら軽量化を実現できる。この支持板１６全体を一定温度に保つために、板の厚みの中心部分に冷却水が通る孔が水路として開けられている。その孔の部分には、折り曲げ自在な中空パイプ３４が接続されており、それを通して支持板１６内に冷却水が供給されるようになっている。ここでは、励起源として使用している後述するグリーンレーザは、通常約２０分で立ち上がる。定常運転時には、通常、グリーンレーザの筐体の前方は約２９度Ｃ、後方は約２７度Ｃ程度まで温度が上昇する。この温度差は、アルミニウムに熱膨張を発生させ、筐体に歪みを生じさせる。歪みの大きさは、アルミニウムの熱膨張係数とグリーンレーザの長さを考慮すると、２℃の温度差で最大約２０μｍに達する。最大値で２０μｍと予想される筐体の変位は、グリーンレーザが単体の場合は殆ど問題にならない。しかし、一体化して、グリーンレーザと後述するチタンサファイアレーザを含む光学系の光軸精度を±１０μｍ以下に保つためには、グリーンレーザの筐体の温度分布は無視できない値である。
そこで、グリーンレーザの筐体と、チタンサファイア共振器を接続している中間部分に、水冷機構を有する厚さ１０ｍｍのアルミニウムの板を配置した。水冷はアルミニウム板内部に４ケ所貫通穴を開け、その内部に循環冷却水を通すことで行った。冷却水の温度は約２３度、流量は毎分約６００ミリリットルである。
このとき、前記グリーンレーザの筐体と、チタンサファイア共振器を接続している中間部分に設けた水冷機構を有する厚さ１０ｍｍのアルミニウムの板を、支持板１６と一体に形成することが小型、軽量化などこの発明の目的達成のために一層好ましい。
一方、チタンサファイア共振器は、共振器の配置されている支持体の中心部に５ケ所貫通穴を開け、内部に別の冷却機からの循環水を通している。冷却水の温度は約２３度Ｃ、流量は毎分約６００ミリリットルである。
さらに、上記の支持体の冷却水の循環の途中にバイパスを設け、チタンサファイア結晶の冷却を行っているペルチェ素子の排熱側の冷却を併せて行っている。
この温度対策により、グリーンレーザとチタンサファイア共振器の表面温度は、グリーンレーザが全面にわたり２４度Ｃ程度、チタンサファイア共振器の表面温度が２３度Ｃ程度となっている。
なお、レーザ発振器１０側も同じように、支持板１６の掘削された部分に、各光学素子が設置されている。
また、励起光源２８から出力された励起光は、支持板１６の上側側面に設けられた励起光導入用ミラー３８により反射されて、レーザ発振器１０側に伝搬されるようになっている。
次に、この実施の形態のレーザ装置の光学系について説明する。先ず、第５図を参照して、レーザ発振器１０の構成につき説明する。第５図は、レーザ発信器１０の構成を示すブロック図である。
このレーザ発振器１０は、モード同期チタンサファイアレーザとして構成されている。この例のレーザ発振器１０のサイズは、幅が３２０ｍｍ、長さが５９０ｍｍ、高さが９０ｍｍである。
このレーザ発振器１０のために、上述した励起光源２８として、ダイオード励起の固体グリーンレーザが用いられる。励起光源２８内部のダイオードは、ドライバ３６によって駆動される。励起光源２８は、波長が５３２ｎｍ、出力が３．５Ｗの励起光を出力する。この励起光が、励起光集光ミラー３８および４０により順次に反射されて、レーザ発振器１０へ伝送される。
また、レーザ発振器１０は、レーザ媒質として、Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３結晶４２を具えている。Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３結晶４２は、０．１５重量パーセントのチタンをドープしたサファイアである。Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３結晶の発光スペクトルは、６００ｎｍ〜１１００ｎｍの波長域にわたる。この結晶４２には、ペルチェ素子などのサーマルエレクトリッククーラ（以下、Ｔ．Ｅ．Ｃと略称する。）が取り付けられており、温度が一定の状態に管理されている。このＴ．Ｅ．Ｃは、Ｔ．Ｅ．Ｃドライバ４４によって制御されている。
また、このレーザ発振器１０中には、４つのチャープミラー４６ａ、４６ｂ、４６ｃおよび４６ｄが設けられており、これらは共振器の一部として機能する。チャープミラー４６ａ〜４６ｄは、一般的なＺ字型の共振器を構成している。共振器中の光は、これらチャープミラー４６ａ〜４６ｄ間で７回反射されてから、出力ミラー４８を経て、外部に出力される。このように、光をチャープミラー４６ａ〜４６ｄ間で繰り返し反射させることにより、Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３結晶４２が持つ群速度分散を補償している。
また、このレーザ発振器１０の共振器の一端には、終端ミラー５０が設けられている。この終端ミラー５０は、スライダ機構により光軸方向に移動することができる。このスライダ機構は、スタータ５２により制御されるソレノイド５４によって駆動される。スタータ５２は、手動操作のスイッチによって作動する。すると、スタータ５２は、ソレノイド５４を作動させて、終端ミラー５０を微小に移動させる。この結果、共振器中にＦＭ変調が引き起こされ、モード同期が開始する。
レーザ発振器１０へ入射された励起光は、波長板（λ／２板）５３を通った後、励起光集光レンズ５５によってＴｉ：Ａｌ２Ｏ３結晶４２に集光される。Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３結晶４２から出射した光は、凹面鏡５６に反射されてチャープミラー４６ａに伝送される。チャープミラー４６ａにより反射された光は、チャープミラー４６ｂ、終端ミラー５０、チャープミラー４６ｂ、チャープミラー４６ａ、凹面鏡５６、凹面鏡５８、チャープミラー４６ｄ、チャープミラー４６ｃおよび出力ミラー４８の順に伝搬される。出力ミラー４８からは、約７０フェムト秒の光パルスが出力される。このレーザ発振器１０の最大出力は、４５０ｍＷである。
さらに、このレーザ発振器１０は、モード同期状態を常に監視し、万一、モード同期状態が停止した場合は、自動的に、つまり手動作によらず、上記のようにソレノイド５４を駆動し、再度、モード同期を開始させる機能も有している。
モード同期状態の監視には、以下のような原理を利用している。
モード同期発振すると、出力光は、共振器の光路長で決まる周波数で繰り返すパルス列を生じる。この繰り返し周波数は、ｃ／（２Ｌ）（ただし、ｃは光速度、Ｌは共振器長である。）により表される。すなわち、１．５ｍ（メートル）の共振器長の場合、パルス列の繰り返し周波数は１００ＭＨｚ（メガヘルツ）となる。
一方、モード同期発振から外れると、ほとんどの場合、連続発振状態になる。よって、レーザ発振器１０の出力を光検知器で監視し、決まった周波数のパルス状の繰り返し信号が出力されるか、あるいは、一定強度の信号が出力されるか、どちらの状態であるかを判断すれば、レーザがモード同期状態であるかどうかを容易に判断できる。このような光検知器として、レーザ発振器１０の内部にフォトダイオード５７を設けてある。フォトダイオード５７は、上述の凹面鏡５６を透過した光を受光する。フォトダイオード５７で受信された信号は、スタータ５２に入力される。スタータ５２は、フォトダイオード５７の受信信号により、モード同期状態を監視することができる。
具体的には、フォトダイオード５７の受信信号の周波数を、カウンタによって約１／１０に周波数変換している。そして、この周波数変換された信号を、スタータ５２内部に内蔵されるチャージポンプ回路に導く。このチャージポンプ回路は、繰り返し信号が入力されると出力電圧を上昇させ、繰り返し信号が入力されなくなると出力電圧が減少するという電子回路である。この回路の出力状態を、ソレノイド５４に送るトリガ信号として利用している。
なお、レーザ発振器１０を波長可変に構成するには、共振器内のレーザ媒質後段に複屈折フィルタを挿入する。複屈折フィルタは、複屈折媒質例えば水晶で形成された平行平板である。この複屈折フィルタの入射面を、レーザビームに対する入射角度がブリュースター角になるように設ける。複屈折フィルタを、その入射面の法線に関して、回転させることにより、共振器内のレーザビームの波長選択を行うことができる。
このレーザ発振器１０から出力されたパルス光は、支持板１６のレーザ発振器１０側に設けられたミラー６０により反射され、支持板１６の表側から裏側にわたり開けられた貫通孔６１を通って、支持板１６の裏側、すなわち、レーザ発振器１０が設けられる側とは反対側、すなわち、群速度分散制御部１２側に送られる。上述したように、支持板１６は冷却機構を具えているため、支持板１６の内部は、比較的温度が一定である。しかも、貫通孔６１の内部は空気擾乱の影響も少ないので、光ビームは安定した状態で伝送される。
次に、第６図を参照して群速度分散制御部１２の構成につき説明する。第６図は、群速度分散制御部１２の構成を示すブロック図である。この群速度分散制御部１２は、第１反射体としての直角プリズム６２、回折格子（グレーティング）６４および第２反射体としての直角プリズム６６を具えている。第１図中には、光の伝搬経路を実線ｂおよび破線ｒにより示してある。
上述の回折格子６４は、レーザ発振器１０により供給されたパルス光の各波長成分を、波長に応じた方向へそれぞれ回折させるものである。また、直角プリズム６２は、回折格子６４を経て入射したパルス光を、パルス光の入射方向に平行な方向へ反射させて回折格子６４へ戻すものである。また、直角プリズム６６は、直角プリズム６２および回折格子６４を経て入射したパルス光を、パルス光の入射方向に平行な方向へ反射させて回折格子６４へ戻すものである。各直角プリズム６２および６６は、互いに垂直な二つの反射面をそれぞれ有している。
上述したように、レーザ発振器１０側から送られたパルス光は、支持板１６に設けられた貫通孔６１を通って、群速度分散制御部１２に入力される。入力パルス光は、群速度分散制御部１２に設けられた、平面鏡６８、凸面鏡７０、凹面鏡７２、平面鏡７４、平面鏡７６および平面鏡７８の順に反射されてゆく。そして、平面鏡７８により反射されたパルス光は、先ず、回折格子６４に入射する。
回折格子６４に入射したパルス光は、各波長成分に分離されて、各波長成分が波長に応じた方向にそれぞれ回折される。第６図では、長波長成分の光路が実線ｒにより示されており、短波長成分の光路が破線ｂにより示されている。長波長成分の方が短波長成分に比べて回折角が大きく、回折後は、長波長成分ｒと短波長成分ｂとが一致しない。
この実施の形態では、回折格子６４のピッチは６００本／ｍｍである。また、回折格子６４のサイズは、幅が３０ｍｍ、長さが３０ｍｍである。
回折格子６４で回折されたパルス光は、直角プリズム６２に入射して反射される。パルス光は、直角プリズム６２内において、互いに垂直な二つの反射面に順次に反射されて、入射方向（回折格子６４で回折されたパルス光が直角プリズム６２に入射するときの伝搬方向）と平行な方向に反射される。反射されたパルス光は、再び回折格子６４に入射する。パルス光の入射位置は、初めに回折格子６４に入射した位置と異なっており、また、波長成分に応じても異なっている。回折格子６４では、パルス光の各波長成分が入射方向（平面鏡７８で反射されたパルス光が回折格子６４に入射するときの伝搬方向）と同じ方向に向けて回折されるために、各波長成分は互いに平行となる。そして、各波長成分は、直角プリズム６６に入射する。
パルス光は、直角プリズム６６内において、互いに垂直な二つの反射面に順次に反射されて、入射方向と平行な方向に反射される。反射されたパルス光は、再び回折格子６４に入射する。
なお、一方の直角プリズム６２の二つの反射面の双方に垂直な面と、他方の直角プリズム６６の二つの反射面の双方に垂直な面とを互いに垂直に配置してある。図示例では、一方の直角プリズム６２の二つの反射面の双方に垂直な面は、第６図中の紙面に平行な面である。また、他方の直角プリズム６６の二つの反射面の双方に垂直な面は、第６図中の紙面に対して垂直な面である。
従って、直角プリズム６６では、パルス光は、最初に第６図の紙面に垂直な方向に反射され、続いて、第６図の紙面に平行な方向に反射されて回折格子６４に戻される。その後、パルス光は、平面鏡７８、回折格子６４、直角プリズム６２、回折格子６４および直角プリズム６６の順に伝搬された最初の光路と平行な別の光路を伝搬される。すなわち、パルス光は、回折格子６４、直角プリズム６２および回折格子６４の順に伝搬される。図中で、この回折格子６４から後述のコリメータ８０の方向へ向かう帰りの光路は、前記の行きの光路と図の紙面に垂直方向にずれているために、パルス光は平面鏡７８に入射されずに直進する。そして、パルス光は、群速度分散制御部１２から出力され、伝送部１４を構成するコリメータ８０に入射して、コリメータ８０に接続されたＳＭＦ１４ａに入射し、ＳＭＦ１４ａにより装置外部に伝送される。
また、この実施の形態では、直角プリズム６２と回折格子６４との間の距離が可変にできるように、直角プリズム６２が、光軸に沿う直線方向への移動を可能にする移動機構を具えている。この移動機構のため、直角プリズム６２は、この直角プリズム６２に対するパルス光の入射方向を一定に保った状態で、直線移動を行うことができる。すなわち、直角プリズム６２は、第６図に示すａ方向に移動することができる。直角プリズム６２を移動させると、直角プリズム６２と回折格子６４との間の距離が変化するので、パルス光の各波長成分間の光路差を変化させることができる。
ここで、前記第１および第２反射体に直角プリズムを用いたため、ルーフ型ミラーの利点とは異なり、ルーフ型ミラーを用いる場合に比べて極めて調整が容易になるという利点がある。
以上説明したように構成してあるため、群速度分散制御部１２内では、長波長成分ｒの方が短波長成分ｂに比べて長い距離の光路を伝搬する。従って、ＳＭＦ１４ａに入力した時点では、パルス光の各波長成分の間に、回折格子６４と直角プリズム６２との間の距離に応じた光路差が生じている。
このように、群速度分散制御部１２は、パルス光に負の群速度分散を与えるものである。この実施の形態の群速度分散制御部１２によれば、例えば、１００フェムト秒程度のパルス光のパルス幅を６ピコ秒程度にまで広げることができる。パルス光の、回折格子６４を通過した時点での出力は１１０ｍＷであるが、上述した程度のパルス幅であれば、数１００ミリワットのパルス光を、自己位相変調効果を無視してＳＭＦ１４ａにより伝送することができる。
また、ＳＭＦ１４ａの出力端（非固定部分の端部）には、圧縮ユニット８２が接続されている。この圧縮ユニット８２は、正の群速度分散を有する半導体結晶により構成されている。このような結晶としては、例えば、ＺｎＳｅやＣａＳｅなどがある。この圧縮ユニット８２は、半導体結晶のバンドギャップ端における急峻な正の分散カーブを利用して、ピコ秒程度の光パルス幅をフェムト秒程度に圧縮する。この例では、ＳＭＦ１４ａの出力端において、パルス光のパルス幅が３ピコ秒程度になっている。パルス光は、ＳＭＦ１４ａから圧縮ユニット８２内に導入されると、ビーム径が１ミリ程度に拡がり、複数回結晶中を通過した後に外部に出力される。その結果、パルス光のパルス幅は１００フェムト秒程度に圧縮される。
以上説明したように、この実施の形態の群速度分散制御部１２では、ビームを空間的に折り畳んだ形の光学系が採用されている。このため、プリズム対や回折格子対を用いる従来の装置に比べて、約１／２の寸法の面内に構成することができる。
また、直角プリズム６２は、６０ｍｍの距離だけスライドさせることができる。その結果、この群速度分散制御部１２の群速度分散は、１５００００ｆｓ２ないし２０００００ｆｓ２の範囲で変化可能である。この値から接続可能なＳＭＦ１４ａの長さを求めると、３．５ｍから５ｍとなる。この程度の長さのＳＭＦ１４ａを用いることができるため、この実施の形態のレーザ装置をたとえば顕微鏡の光源、２光子吸収のリソグラフィの光源、光通信の光源などとして利用することは実用的に十分可能である。
さらに、直角プリズム６２と回折格子６４との間の距離が可変にできるように、直角プリズム６２が、直角プリズム６２へ回折格子６４からの光が入射し、その光を全て入射した光と平行を保つ方向に向かって反射できるような移動が可能である。例えば、好ましい例として、直角プリズム６２の移動については、回折格子６４からの出射光の中心波長の光の光軸の方向への直線移動が可能である。
また、この中心波長が±５０ｎｍ変化する場合は、回折格子６４からの出射光の角度が±２°変化し、直角プリズム６２から回折格子６４の反射光は回折格子６４の表面上±１０ｍｍ変化する。従って、回折格子６４の溝の方向に対して直角方向の長さは５０ｍｍ以上あることが好ましい。
さらに、直角プリズム６２の代わりにコーナーキューブリフレクタを用い、直角プリズム６６の代わりに平面鏡を用いる構成とすることもできる。
また、直角プリズム６２の移動機構は、装置の外部から電気的に制御できるように構成されている。このように構成してあるので、群速度分散制御部１２内部の群速度分散を、ＳＭＦ１４ａの長さに合わせて調節することができる。従って、ＳＭＦ１４ａを交換したときも、アライメントをやり直す必要がない。
さらに、波長可変にした場合および接続するファイバの長さを変化させた場合などにおいて、直角プリズム６２の移動機構の制御に対して、ＳＭＦ１４ａから出力されたパルス光のパルス幅を検出し、前記検出されたパルス幅と目的とするパルス幅との差を演算して、直角プリズム６２の移動量を直角プリズム６２の移動機構へ負帰還を行うようにしてある。この結果、ＳＭＦ１４ａから出力されるパルス幅が一定となる。
さらに、回折格子６４は、格子面に平行な軸（第６図中の紙面に対して垂直な軸）に関して回転可能に構成してある。そして、回折格子６４の入射パルス光に対する角度を、レーザ発振器１０から出力されるパルス光の波長を指標として変化させるようにしてある。つまり、上述したレーザ発振器１０の波長可変機構と連携させ、波長可変機構を構成する複屈折媒質の回転角に応じて、回折格子６４を回転させるようにしてある。このように、パルス光の波長に合わせて回折格子６４を回転させるので、パルス光の波長が変化しても、アライメントをやり直す必要がない。
以上のように、この実施の形態のレーザ装置は、機能的に異なる３つのユニットが相まって１つの装置として機能するように構成されたものである。このレーザ装置は、空間を伝播するレーザビームを扱う。このような空間ビームを扱う際の設計上、あるいは、製造上の工夫について述べる。
この実施の形態では、レーザ発振器１０、群速度分散制御部１２および伝送部１４を構成する部品のそれぞれ支持板１６に接続される側に位置決め用の凸部または凹部を設けてある。そして、これら凸部または凹部が組み合わされる凹部または凸部を、支持板１６の所定の位置に形成してある。光学ユニットおよび支持板１６の双方に、このような位置決め機構が設けられている。
第７図は、位置決め機構の例を示す斜視図である。第７図（Ａ）には、光学素子用ホルダ８４を下側から見たところが示されている。第７図（Ｂ）には、支持板１６の一方の主面の一部分が示されている。
光学素子用ホルダ８４は、上述の光学ユニットを構成する光学素子を保持するためのものである。この光学素子用ホルダ８４の下側、すなわち、支持板１６に接続される側に、位置決め用の凸部８６が形成されている。一方、支持板１６の所定位置には、光学素子用ホルダ８４の凸部８６が嵌合する凹部８８が形成されている。従って、光学素子用ホルダ８４の凸部８６を支持板１６上の凹部８８に嵌め込むことにより、光学素子を支持板１６上の所定位置に配置することができる。その後、所要の手段により光学素子ホルダ８４を支持板１６に固定すれば良い。
このように構成してあるため、光学素子用ホルダ８４は、支持板１６の凹部８８を設けたことによって、所定の位置に配置される。これら支持板１６の凹部８８と、光学素子用ホルダ８４の凸部８６とは、現在の機械加工技術を駆使することで、それぞれ高い精度で形成できる。従って、光学素子用ホルダ８４の凸部８６が支持板１６の凹部８８に組み合わさるように、光学素子用ホルダ８４を支持板１６に置くのみで、光学素子を支持板１６の所定位置に高い精度で配置できる。もしも、光学素子が光軸から多少ずれていた場合には、光学素子用ホルダ８４が一般的に有する光学素子微動機構でこの軸ずれを修正できる。従って、この構成によれば、光学素子の軸調整作業を従来より軽減することができるので、所望の光学系を従来より簡易に形成することができる。
また、上記の例では、レーザ発振器１０、群速度分散制御部１２および伝送部１４を構成する光学系を固定する支持部（ネジ部を除く）の少なくとも主要部分の材料として、支持板１６と同じアルミニウムが用いられている。このように、各部品の熱膨張係数を同じにすれば、熱サイクルを受けても、各部品間の熱膨張の差が累積することがなく、光路ずれが生じにくい。
ただし、使用する部品によっては、微調整を行わなければならない場合には、微調整を行う部分のばねやレールはステンレスなどを、また、取り替えを必要とする部分の取り付けネジなどは真ちゅうなどを用いることができる。
また、このレーザ装置の内部におけるビームの高さは、群速度分散制御部１２の一部を除いて１８ｍｍに統一されている。この値は、以下に述べるように、ＪＩＳ−Ｚ８８０１工業規格の標準数に基づいて決められたものである。すなわち、レンズやミラーは、入手の容易さとコストの点とで市販の標準品が多用されている。この標準品は、１／２インチ（１２．７ｍｍ）の寸法のものが多い。そこで、床面からのビームの高さとして、光学素子の保持に最低限必要なメカ機構の厚さと、この直径とを考慮して、上述の寸法に対して最も適当である１８ｍｍの値を選択している。
次に、この実施の形態のレーザ装置の小型化の可能性について述べる。上述した現状のチタンサファイア共振器には、部品コストの削減のために、市販されているミラーやレンズが多用されている。上述したように、このような光学素子の直径は１／２インチのものが多い。従って、この直径をさらに半分にできれば、ビーム高さを１８ｍｍからさらに低くすることが可能になる。さらに、光学素子の取り付けに必要となるメカ部品も小型化が可能である。
ビーム高さを前記のように１８ｍｍ以下にすることは、支持板１６で例示した支持体を縦にして筐体に実装した場合に、熱の影響や重力の影響により光路にずれが生じるリスクを軽減することができる。
さらに、支持板１６に溝部を設けて、この溝部内を光路にするように各光学系を構成し配置すれば、光路のずれのリスクは一層軽減される。
現在のレーザ装置は、本発明の実施により、筐体の長さ、高さ、幅の各最大寸法が長さ６５６ｍｍ、高さ５０８ｍｍ、幅２３４ｍｍで、重量が５０ｋｇ以下に小型化されている。
さらに、小型化した実施例として、標準品として市販されているものに限られず、独自の寸法の光学素子を用いることによりブロックの大きさを半分にできる。この段階では、共振器の支持体は、幅が２００ｍｍ以下、長さが５５０ｍｍ以下、厚さが６０ｍｍ以下の寸法になる。
励起光源２８も、同様の手法により、幅が１００ｍｍ以下、長さが３９０ｍｍ以下、高さが９０ｍｍ以下の寸法になる。
従って、レーザ装置全体の寸法は、筐体の最大寸法で長さ６２０ｍｍ以下、高さ４３０ｍｍ以下、幅１７０ｍｍ以下にすることができる。
さらに、ブロックの大きさは小さくせずにそのパッキング密度をあげることにより更に小さくできる。この段階では、共振器は、幅が６０ｍｍ以下、長さが１０５ｍｍ以下、高さが４５ｍｍ以下の寸法になる。
同様の技術により、励起光源２８は、幅が３０ｍｍ以下、長さが６０ｍｍ以下、高さが３０ｍｍ以下の寸法になる。
従って、レーザ装置全体の寸法は、長さ２３０ｍｍ以下、高さ１７５ｍｍ以下、厚さ１５５ｍｍ以下にすることができる。
第８図は、群速度分散制御部１２の別の例を説明する図である。図中符号１００は入射光、１０１は駆動部１０２を有する音響光学素子、１０３は第１の反射板、１０４は第２の反射板、１０５は４分の１波長板、１０６は入出力分離素子、１０７は出射光の光路、１０８はコリメータ、１０９は光ファイバ、１１０〜１１３は光路である。音響光学素子１０１、第１の反射板１０３、第２の反射板１０４、４分の１波長板１０５は群速度分散制御部１２の構成要素である。ここで、コリメータ１０８と光ファイバ１０９は伝送部１４の一部を構成する。
第８図において、群速度分散制御部１２に入射した入射光１００は入出力分離素子１０６を通り光路１１０に進み、入射光を透過することができる音響光学素子１０１に入射する。音響光学素子１０１の駆動部１０２に適切な電気信号を入れて音響光学素子１０１に進行波を生じさせておくと、入射光は光路１１１に示したように波長に応じて分光され、第１の反射板１０３で反射されて、光路１１２を通り再び音響光学素子１０１を通り光路１１３に進み、４分の１波長板１０５で偏光面を４５度回転された状態で第２の反射板１０４で反射され、再び４分の１波長板１０５で偏光面を４５度回転された状態で、光路１１３、１１２、１１１、１１０と進行して入出力分離素子１０６に入射する。この場合、第２の反射板１０４で反射された光は、音響光学素子１０１を通過し、第１の反射板１０３で反射され、音響光学素子１０１を通過する。このとき、４分の１波長板１０５を往復通過した光は偏光面が入射光１００に対して９０度回転されているため、入出力分離素子で入射光１００とは異なる光路１０６へと出力され、伝送部１４を構成するコリメータ１０８に入射し、光ファイバ１０９を伝送される。
また、前記第８図の４分の１波長板１０５を用いずに、第２の反射板１０４として、２つの反射面を有するたとえば直角プリズムを用い、前記２つの反射面に垂直な面を、たとえば、図の紙面に垂直に配置すれば、光路１１３を進行して第２の反射板１０４としてのプリズムに入射した光は、たとえば、光路１１３に平行で光路１１３に対して図の紙面に垂直上方向で光路１１３に平行な光路を通って光路１１２、光路１１１、光路１１０にそれぞれ平行で図の紙面に垂直上方向に位置する光路を通って進行する。この場合も、第２の反射板１０４で反射された光は、音響光学素子１０１を通過し、第１の反射板１０３で反射され、音響光学素子１０１を通過する。上記の場合では、入射光と出射光は紙面の高さ方向にまったく異なる位置を通るので、入出力分離素子１０６は必ずしも必要なく、たとえば、コリメータ１０８を入射光１００に平行な位置に配置すればよい。
第９図は、伝送部１４におけるさらなる改良の例を説明する図である。
図中、符号１２０は４分の１波長板、１２１はレンズ、１２２は光ファイバ１２３の入力側端末、１２４は光ファイバ１２３の出力側端末、１２５は４分の１波長板、１２６と１２７は光の進行方向を示す矢印である。
第９図において、矢印１２６の方向から伝送用光ファイバ１２３に入射する直線偏光のパルスレーザビームが、該レーザ波長１／４波長板である第１の４分の１波長板１２０を通過した後、偏光状態が円偏光になるように第１の４分の１波長板１１２０は方位が調整されている。
第１の４分の１波長板１を通過したレーザビームは集光レンズ１２１によってシングルモード光ファイバ１２３の研磨された端面を有する入力側端末１２２に集光される。シングルモード光ファイバ１２３中を伝送されるレーザビームは円偏光になっているので、直線偏光状態のときに比べて、単位面積あたりの電界強度は１／√２になっている。従って、強度由来の光ファイバの破壊の限界が√２倍の伝送平均出力まで上昇する。さらに、光ファイバ１２３の出力側端末１２４はＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ  Ｅｘｐａｎｄｅｄ  Ｃｏｒｅ）技術を用いて、数ミリから数センチの長さにわたり、コア直径が拡大されている。直径が３．３倍に拡大されることでレーザパルスの時間幅が、出力端で最も短くなる場合、出力表面の面積が３．３の自乗倍すなわち約１０倍にすることができる。このため、光ファイバ出力端での単位面積あたりの強度が１／１０に減少させられるので、破壊限界を約１０倍にする事ができる。
出力側端末１２４から出力したレーザパルスはさらに第２の４分の１波長板を通過する。このとき、第２の４分の１波長板１２４では円偏光が直線偏光になるように調整されている。よって、第２の４分の１波長板１２５からの出力レーザパルスは、直線偏光で、かつ分散補償によりパルス幅がレーザ発振器から出力されたものと同様に短くなっているので、ピーク強度が高くかつ直線偏光状態である。従って、生体科学、リソグラフィなどの産業分野に利用するときに好都合である。
なお、出力レーザビームの出力側に出力光を平行光に調整するレンズを設けても良く、この場合、４分の１波長板１２４はこのレンズの後方に設けても良い。
この発明のレーザ装置は、レーザ発振器と群速度分散制御部と伝送部の一端とが共通の支持体上に固定されており、可搬型の小型の１つの筐体に実装されている。レーザ装置を構成する各光学ユニット間の光軸調整は既に完了した状態になされており、アライメントフリーになっている。また、伝送部の出力用光ファイバの長さを用途に合わせて変えたり、使用する波長を変える必要のある用途の場合にも、自在に対応できるものである。これら各光学ユニットと支持体とは、共通の１つの筐体の内部に収められており、各光学ユニットがワンパッケージ化（一体化）された状態で提供される。そして、このような一体化構造による、各光学ユニットの温度環境が共通化され、しかも、従来のように、各光学ユニットを光学ベンチ上に配置して、ユーザが光軸調整を行う必要がなく、直ちにパルス拡がりの無い短パルス光を使用することができる。
産業上の利用可能性
この発明の上記のような長所から、この発明によるレーザ装置は、可搬型で、難しい調整を必要とせず、非線形光学効果が有効に機能する対象物に光ファイバから超短パルス光を直接導入することができるため、光通信における光−光ルータの光源として、従来のレーザダイオードと置き換えて利用することができ、また、別の用途として、２格子吸収のリソグラフィー用の光源として用いることができる。さらに別の用途として、２格子吸収顕微鏡の光源としても用いることができるなど、この発明の利用可能性は極めて広いものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、実施の形態のレーザ装置の構成を示す図で、（Ａ）はレーザ装置を上から見た図、（Ｂ）はレーザ装置を側方から見た図である。
第２図は、筐体の構成を示す図で、（Ａ）は側面図で、（Ｂ）は正面図である。
第３図は、支持体と筐体との結合の様子を示す図である。
第４図は、支持体の構成を示す図である。
第５図は、レーザ発振器の構成を示す図である。
第６図は、群速度分散制御部の構成を示す図である。
第７図は、位置決め機構の例を示す図で、（Ａ）は光学素子用ホルダを下から見た図、（Ｂ）は支持板の主面の一部を示す図である。
第８図は、別の群速度分散制御部の構成を示す図である。
第９図は、伝送部の光ファイバの入力側と出力側に１／４波長板を用いた例を説明する図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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